AMT汽车模糊三参数换挡规律研究
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AMT 汽车模糊三参数换挡规律研究 蒋世全
AMT汽车模糊三参数换挡规律研究
蒋世全 (湖南工业大学包装与材料工程学院 湖南株洲,4 1 2 0 0 7 )
摘 要:为了使 A M T 汽车自动变速器换挡能够反映路况与车况变化,更好地满足汽车换挡平顺性要求,提出了 A M T 汽车模糊三参数换挡控制。论文首先给出了模糊三参数换挡控制原理,接着设计了模糊三参数换挡控制器,最 后给出了长安羚羊 A M T 轿车模糊三参数换挡仿真,并与模糊两参数换挡进行了比较。结果表明,采用模糊三参数换 挡比采用模糊两参数换挡更加符合驾驶员的换挡经验和习惯,比传统计算法求解换挡规律更简便,易于实现,鲁棒 性更强。
0 引 言 目前,几种比较典型的自动变速器是[ 1 ]:液力机械式
自动变速器(A T )、金属带式无级变速器(C V T )、电控机械 式自动变速器(A M T )。几种变速器各有优点和缺点,国内 外对它们的研究一直在不断深入,以满足人们越来越高的 对 乘 坐 舒 适 性 、换 挡 平 顺 性 、燃 油 经 济 性 和 低 排 放 的 要 求。电控机械自动变速器是在传统的手动齿轮式变速器基 础上实现的,它结构简单,保留了干式离合器与手动变速 器的绝大部分总成部件,只是将其中手动操作系统的换挡 杆部分替换为自动控制机构。它保留了原手动变速器齿轮 传 动 效 率 高 、成 本 低 、结 构 简 单 、易 制 造 的 长 处 ,生 产 继 承性好,改造的投入费用少,非常适合我国国情。
当论域中元素总数为模糊子集总数的 2 ~3 倍时模糊 子集对论域的覆盖程度最好[ 2 ] 。将车速、油门开度、加速 度进行量化,他们的论域分别取为:
{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15} {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10} {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10} 根据驾驶员的经验,车速小于 1 0 k m / 小时时,一般保 持在 1 挡,车速大于7 0 k m / 小时后一般保持在5 挡,故车速 的物理论域为 Vi =[10,70],量化因子为 ki = 0.25;油门开 度在大于 5 %以后,换挡主要根据车速和加速度,故油 门开度的物理论域取为α =[0,50],量化因子为 kj = 0.2;加速
7
IF V is PB and a is VB and Ac is VB, THEN Dy is Ⅴ; 2.3 模糊推理
第 i 条模糊规则的模糊关系为: (5)
总的模糊关系为:
(6)
推理合成规则采用 M a m d a n i ( m a x - m i n ) 复合运算: (7)
根据优秀驾驶员的驾驶经验以及实际测试车辆的具 体参数,模糊三参数换挡控制器三个输入量的模糊子集分 别为:车速取为:“负大”(N B ),“负中”(N M ),“负小”(N S ), “中”(M ),“正小”(PS ),“正中”(PM ),“正大”(PB )共 7 个模 糊量;油门开度取为:“很小”(VS),“小”(S),“中”(M),“大” (B),“很大”(VB)共 5 个模糊量;加速度取为:“很小”(VB), “小”(M ),“中”(M ),“大”(B ),“很大”(V B )共五个模糊量。 输出挡位 D y 以单点表示,分别为:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ共 5 个挡位。
(3)
输入量、输出量的隶数度函数都选为高斯型,如图 2 所示。高斯型隶属度函数可以简化某些模糊推理机设计中 的计算量[ 2 ] 。三个输入量以及输出量隶属度函数表达式见 式(4)。
2 模糊控制器设计 模糊控制器的设计包括量化因子和比例因子确定、
国内外许多学者对换挡规律的制定进行了研究, Zhiyi Zhang[3]等人研究了AT 汽车模糊换挡规律,Yi Jun 等人研究了履带车辆模糊换挡[ 4 , 5 ] ,李平康等人研究了工 程车辆的模糊换挡[ 6 , 7 ] ,这些研究对象的共同点就是作为 研究对象的变速器都有液力变矩器,换挡规律制定中加入 了液力变矩器涡轮和泵轮的转速,在换挡过程中液力变矩 器有缓冲着用,而 A M T 汽车换挡由于存在动力中断问题, 对加速度的变化特别敏感,故 A T 和工程车辆模糊换挡的 方法不能直接用于AMT 汽车。Huifang Kong[8],B Mashadi [9]研究了 A M T 汽车的模糊换挡, 采用的是两参数换挡,未能 充分考虑外在环境变化对车辆换挡的影响。为了准确反映 外环境变化对换挡的影响,作者在本文中采用模糊三参数 换挡(即车速、油门开度、加速度)。加速度在一定程度上 反映了汽车驾驶环境的变化情况,引入加速度后的三参数 换挡能够使换挡过程冲击度更小,提高了乘座舒适性。论 文首先对 A M T 汽车模糊换挡原理进行了阐述,接着研究了 模糊换挡控制器,最后对模糊控制系统进行了仿真。结果 表明,采用模糊三参数换挡比两参数换挡更加符合熟练驾 驶员的操作,换挡过程更加舒适、平稳,车辆具有更好的 燃油经济性。
(1)
(2)
图1 AMT汽车模糊三参数换档控制原理
图 1 中,α为发动机油门开度,V 为汽车行驶速度,A c 为汽车加速度。模糊三参数换挡控制的核心是模糊控制器 (双点画线框部分)设计,发动机油门开度信号、汽车速度 信号和加速度信号经过量化处理后再进行模糊化处理,然 后结合模糊规则库进行模糊推理,得到的结果经过解模糊 化和比例因子的调节以确定变速器的挡位,从而改变 A M T 变速器的传动比,满足车辆行驶对驱动力和挡位的要求。
o为合成算子。 2.4 反模糊化
根 据 本 研 究 课 题 的 特 点 ,反 模 糊 化 采 用 最 大 隶 属 度 ห้องสมุดไป่ตู้:
(8)
AMT 汽车模糊三参数换挡规律研究 蒋世全
图 4 中( a ) 为加速度取 3 米 / 秒 2 时模糊三参数换挡; (b)为加速度取1.5 米秒2 时模糊三参数换挡;(c)为加速度 取 -1.5 米 / 秒 2 时模糊三参数换挡;(d)为加速度取-3 米 / 秒 2 时模糊三参数换挡。从图中可以看出,同一油门开度 下加速度越大,挡位切换时车速就越低;同一加速度条件 下油门开度越大,挡位切换点车速越高。这与熟练驾驶员 的挡位切换行为完全相同,表明采用模糊三参数换挡是成 功的,能够充分反映外在环境变化对换挡决策的影响。
国内外许多学者对换挡规律的制定进行了研究zhiyizhang等人研究了at汽车模糊换挡规律yijun等人研究了履带车辆模糊换挡李平康等人研究了工程车辆的模糊换挡这些研究对象的共同点就是作为研究对象的变速器都有液力变矩器换挡规律制定中加入了液力变矩器涡轮和泵轮的转速在换挡过程中液力变矩器有缓冲着用而amt汽车换挡由于存在动力中断问题对加速度的变化特别敏感故at和工程车辆模糊换挡的方法不能直接用于amt汽车
收稿日期:2010-04-15 作者简介: 蒋世全( 1 9 8 6 - ) , 男, 重庆荣昌人, 主要研究方向为 包装设备及控制。
有较大差别时,其给出的挡位显然不是最优的,或在某些 区域内不是最优的。本文研究基于专家知识的模糊控制换 挡 。当 前 比 较 成 熟 的 是 两 参 数 换 挡 规 律( 车 速 、油 门 开 度 ),两 参 数 换 挡 不 能 反 映 路 面 条 件 、车 辆 载 荷 等 外 在 条 件的变化对换挡的影响,因此,作者在这篇文章中将采用 三参数换挡,以充分考虑驾驶条件变化对换挡的影响。
关 键 词:模糊控制;自动变速器;三参数换挡;仿真 Abstract: In order to have the shift of AMT car can reflect road circumstance and vehicle state , satisfy the required of ride comfort in shift, author presented fuzzy three parameter shift control technology. At first, given the control principle of three parameter shift in the paper, then the controller of fuzzy three parameter shift is designed, at last, the MATLAB/simulink of fuzzy three parameter shift of ChangAn Lingyang AMT car, and compared with fuzzy two parameter shift. The result demonstrated that shift adopted fuzzy three parameter is accord with driver’s experience and custom more than fuzzy two parameter shift, it is more simple and easy to realize and more stronger Robustness than shift with traditional calculate method. Key words: Fuzzy control ; Automatic transmission ; Shift with three parameter ; Simulation 中图分类号:T P 2 7 3 + . 4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 0 6 - 0 4
图2 AMT汽车模糊三参数换挡输入量/输出量隶属度函数
(4) 其中 C 决定隶属度函数的中心位置,σ确定函数曲线 的宽度。 从 隶 属 度 函 数 图 可 以 看 出 ,所 选 取 的 隶 属 度 函 数 满 足了三个基本特征:完备性、一致性、交互性。 2.2 模糊控制规则制定 根 据 优 秀 驾 驶 员 的 换 挡 经 验 ,制 定 模 糊 三 参 数 换 挡 规则,由三个输入量的模糊子集可知,共有 1 7 5 条模糊规 则。 IF V is NB and a is VS and Ac is VS, THEN Dy is Ⅰ; IF V is NM and a is S and Ac is S, THEN Dy is Ⅱ; IF V is M and a is M and Ac is B, THEN Dy is Ⅲ; …
A M T 汽车自动变速器控制的关键技术是换挡规律的制 定 和 离 合 器 的 控 制 ,本 文 主 要 研 究 换 挡 规 律 制 定 这 一 问 题,即根据驾驶员意图、车辆的运行状态和道路状况等因 素,按照车辆某些性能参数最优的原则,确定车辆的最佳 挡位。目前,挡位决策方法可以分为两大类,一类是在选 定换挡控制参数之后,按照特定性能指标最优的原则求解 换挡规律;另一类方法则是利用驾驶员的驾驶经验及专家 的知识形成模糊控制规则[ 2 ] ,即基于专家系统的换挡规 律。前者为传统方法,理论完善,有一套完整的求解方法, 在车辆运行环境和车辆工况与求解最优换挡规律时的设 定条件一致时,其给出的挡位可以保证车辆的最优性能, 然而当车辆的实际运行条件与换挡规律求解时设定条件
6
《自动化与仪器仪表》2010 年第 4 期(总第 150 期) 1 A M T汽车模糊三参数换挡控制原理 A M T 汽车模糊三参数换挡控制原理如图1 所示。
度的取值范围一般小于 4 m / s 2,故物理论域取为 Ac= [ - 5 , 5 ] ,量化因子 kl = 1 . 2 5 。由此得到量化的具体算法如下:
模糊化策略、模糊规则库设计、模糊推理机制确定、解模 糊化等几部分。
车辆驾驶过程中,油门开度反应了驾驶员意图;车速 反应了当前车辆运行状况;加速度在一定程度上反应了驾 驶环境变化情况,而升档或降挡是根据车辆状况和环境, 实现驾驶员意图的有效途径。选择油门开度、车速、加速 度作为模糊控制器的输入,挡位作为输出。 2 . 1 控制变量的模糊化与量化因子
AMT汽车模糊三参数换挡规律研究
蒋世全 (湖南工业大学包装与材料工程学院 湖南株洲,4 1 2 0 0 7 )
摘 要:为了使 A M T 汽车自动变速器换挡能够反映路况与车况变化,更好地满足汽车换挡平顺性要求,提出了 A M T 汽车模糊三参数换挡控制。论文首先给出了模糊三参数换挡控制原理,接着设计了模糊三参数换挡控制器,最 后给出了长安羚羊 A M T 轿车模糊三参数换挡仿真,并与模糊两参数换挡进行了比较。结果表明,采用模糊三参数换 挡比采用模糊两参数换挡更加符合驾驶员的换挡经验和习惯,比传统计算法求解换挡规律更简便,易于实现,鲁棒 性更强。
0 引 言 目前,几种比较典型的自动变速器是[ 1 ]:液力机械式
自动变速器(A T )、金属带式无级变速器(C V T )、电控机械 式自动变速器(A M T )。几种变速器各有优点和缺点,国内 外对它们的研究一直在不断深入,以满足人们越来越高的 对 乘 坐 舒 适 性 、换 挡 平 顺 性 、燃 油 经 济 性 和 低 排 放 的 要 求。电控机械自动变速器是在传统的手动齿轮式变速器基 础上实现的,它结构简单,保留了干式离合器与手动变速 器的绝大部分总成部件,只是将其中手动操作系统的换挡 杆部分替换为自动控制机构。它保留了原手动变速器齿轮 传 动 效 率 高 、成 本 低 、结 构 简 单 、易 制 造 的 长 处 ,生 产 继 承性好,改造的投入费用少,非常适合我国国情。
当论域中元素总数为模糊子集总数的 2 ~3 倍时模糊 子集对论域的覆盖程度最好[ 2 ] 。将车速、油门开度、加速 度进行量化,他们的论域分别取为:
{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15} {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10} {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10} 根据驾驶员的经验,车速小于 1 0 k m / 小时时,一般保 持在 1 挡,车速大于7 0 k m / 小时后一般保持在5 挡,故车速 的物理论域为 Vi =[10,70],量化因子为 ki = 0.25;油门开 度在大于 5 %以后,换挡主要根据车速和加速度,故油 门开度的物理论域取为α =[0,50],量化因子为 kj = 0.2;加速
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IF V is PB and a is VB and Ac is VB, THEN Dy is Ⅴ; 2.3 模糊推理
第 i 条模糊规则的模糊关系为: (5)
总的模糊关系为:
(6)
推理合成规则采用 M a m d a n i ( m a x - m i n ) 复合运算: (7)
根据优秀驾驶员的驾驶经验以及实际测试车辆的具 体参数,模糊三参数换挡控制器三个输入量的模糊子集分 别为:车速取为:“负大”(N B ),“负中”(N M ),“负小”(N S ), “中”(M ),“正小”(PS ),“正中”(PM ),“正大”(PB )共 7 个模 糊量;油门开度取为:“很小”(VS),“小”(S),“中”(M),“大” (B),“很大”(VB)共 5 个模糊量;加速度取为:“很小”(VB), “小”(M ),“中”(M ),“大”(B ),“很大”(V B )共五个模糊量。 输出挡位 D y 以单点表示,分别为:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ共 5 个挡位。
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输入量、输出量的隶数度函数都选为高斯型,如图 2 所示。高斯型隶属度函数可以简化某些模糊推理机设计中 的计算量[ 2 ] 。三个输入量以及输出量隶属度函数表达式见 式(4)。
2 模糊控制器设计 模糊控制器的设计包括量化因子和比例因子确定、
国内外许多学者对换挡规律的制定进行了研究, Zhiyi Zhang[3]等人研究了AT 汽车模糊换挡规律,Yi Jun 等人研究了履带车辆模糊换挡[ 4 , 5 ] ,李平康等人研究了工 程车辆的模糊换挡[ 6 , 7 ] ,这些研究对象的共同点就是作为 研究对象的变速器都有液力变矩器,换挡规律制定中加入 了液力变矩器涡轮和泵轮的转速,在换挡过程中液力变矩 器有缓冲着用,而 A M T 汽车换挡由于存在动力中断问题, 对加速度的变化特别敏感,故 A T 和工程车辆模糊换挡的 方法不能直接用于AMT 汽车。Huifang Kong[8],B Mashadi [9]研究了 A M T 汽车的模糊换挡, 采用的是两参数换挡,未能 充分考虑外在环境变化对车辆换挡的影响。为了准确反映 外环境变化对换挡的影响,作者在本文中采用模糊三参数 换挡(即车速、油门开度、加速度)。加速度在一定程度上 反映了汽车驾驶环境的变化情况,引入加速度后的三参数 换挡能够使换挡过程冲击度更小,提高了乘座舒适性。论 文首先对 A M T 汽车模糊换挡原理进行了阐述,接着研究了 模糊换挡控制器,最后对模糊控制系统进行了仿真。结果 表明,采用模糊三参数换挡比两参数换挡更加符合熟练驾 驶员的操作,换挡过程更加舒适、平稳,车辆具有更好的 燃油经济性。
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图1 AMT汽车模糊三参数换档控制原理
图 1 中,α为发动机油门开度,V 为汽车行驶速度,A c 为汽车加速度。模糊三参数换挡控制的核心是模糊控制器 (双点画线框部分)设计,发动机油门开度信号、汽车速度 信号和加速度信号经过量化处理后再进行模糊化处理,然 后结合模糊规则库进行模糊推理,得到的结果经过解模糊 化和比例因子的调节以确定变速器的挡位,从而改变 A M T 变速器的传动比,满足车辆行驶对驱动力和挡位的要求。
o为合成算子。 2.4 反模糊化
根 据 本 研 究 课 题 的 特 点 ,反 模 糊 化 采 用 最 大 隶 属 度 ห้องสมุดไป่ตู้:
(8)
AMT 汽车模糊三参数换挡规律研究 蒋世全
图 4 中( a ) 为加速度取 3 米 / 秒 2 时模糊三参数换挡; (b)为加速度取1.5 米秒2 时模糊三参数换挡;(c)为加速度 取 -1.5 米 / 秒 2 时模糊三参数换挡;(d)为加速度取-3 米 / 秒 2 时模糊三参数换挡。从图中可以看出,同一油门开度 下加速度越大,挡位切换时车速就越低;同一加速度条件 下油门开度越大,挡位切换点车速越高。这与熟练驾驶员 的挡位切换行为完全相同,表明采用模糊三参数换挡是成 功的,能够充分反映外在环境变化对换挡决策的影响。
国内外许多学者对换挡规律的制定进行了研究zhiyizhang等人研究了at汽车模糊换挡规律yijun等人研究了履带车辆模糊换挡李平康等人研究了工程车辆的模糊换挡这些研究对象的共同点就是作为研究对象的变速器都有液力变矩器换挡规律制定中加入了液力变矩器涡轮和泵轮的转速在换挡过程中液力变矩器有缓冲着用而amt汽车换挡由于存在动力中断问题对加速度的变化特别敏感故at和工程车辆模糊换挡的方法不能直接用于amt汽车
收稿日期:2010-04-15 作者简介: 蒋世全( 1 9 8 6 - ) , 男, 重庆荣昌人, 主要研究方向为 包装设备及控制。
有较大差别时,其给出的挡位显然不是最优的,或在某些 区域内不是最优的。本文研究基于专家知识的模糊控制换 挡 。当 前 比 较 成 熟 的 是 两 参 数 换 挡 规 律( 车 速 、油 门 开 度 ),两 参 数 换 挡 不 能 反 映 路 面 条 件 、车 辆 载 荷 等 外 在 条 件的变化对换挡的影响,因此,作者在这篇文章中将采用 三参数换挡,以充分考虑驾驶条件变化对换挡的影响。
关 键 词:模糊控制;自动变速器;三参数换挡;仿真 Abstract: In order to have the shift of AMT car can reflect road circumstance and vehicle state , satisfy the required of ride comfort in shift, author presented fuzzy three parameter shift control technology. At first, given the control principle of three parameter shift in the paper, then the controller of fuzzy three parameter shift is designed, at last, the MATLAB/simulink of fuzzy three parameter shift of ChangAn Lingyang AMT car, and compared with fuzzy two parameter shift. The result demonstrated that shift adopted fuzzy three parameter is accord with driver’s experience and custom more than fuzzy two parameter shift, it is more simple and easy to realize and more stronger Robustness than shift with traditional calculate method. Key words: Fuzzy control ; Automatic transmission ; Shift with three parameter ; Simulation 中图分类号:T P 2 7 3 + . 4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 0 6 - 0 4
图2 AMT汽车模糊三参数换挡输入量/输出量隶属度函数
(4) 其中 C 决定隶属度函数的中心位置,σ确定函数曲线 的宽度。 从 隶 属 度 函 数 图 可 以 看 出 ,所 选 取 的 隶 属 度 函 数 满 足了三个基本特征:完备性、一致性、交互性。 2.2 模糊控制规则制定 根 据 优 秀 驾 驶 员 的 换 挡 经 验 ,制 定 模 糊 三 参 数 换 挡 规则,由三个输入量的模糊子集可知,共有 1 7 5 条模糊规 则。 IF V is NB and a is VS and Ac is VS, THEN Dy is Ⅰ; IF V is NM and a is S and Ac is S, THEN Dy is Ⅱ; IF V is M and a is M and Ac is B, THEN Dy is Ⅲ; …
A M T 汽车自动变速器控制的关键技术是换挡规律的制 定 和 离 合 器 的 控 制 ,本 文 主 要 研 究 换 挡 规 律 制 定 这 一 问 题,即根据驾驶员意图、车辆的运行状态和道路状况等因 素,按照车辆某些性能参数最优的原则,确定车辆的最佳 挡位。目前,挡位决策方法可以分为两大类,一类是在选 定换挡控制参数之后,按照特定性能指标最优的原则求解 换挡规律;另一类方法则是利用驾驶员的驾驶经验及专家 的知识形成模糊控制规则[ 2 ] ,即基于专家系统的换挡规 律。前者为传统方法,理论完善,有一套完整的求解方法, 在车辆运行环境和车辆工况与求解最优换挡规律时的设 定条件一致时,其给出的挡位可以保证车辆的最优性能, 然而当车辆的实际运行条件与换挡规律求解时设定条件
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《自动化与仪器仪表》2010 年第 4 期(总第 150 期) 1 A M T汽车模糊三参数换挡控制原理 A M T 汽车模糊三参数换挡控制原理如图1 所示。
度的取值范围一般小于 4 m / s 2,故物理论域取为 Ac= [ - 5 , 5 ] ,量化因子 kl = 1 . 2 5 。由此得到量化的具体算法如下:
模糊化策略、模糊规则库设计、模糊推理机制确定、解模 糊化等几部分。
车辆驾驶过程中,油门开度反应了驾驶员意图;车速 反应了当前车辆运行状况;加速度在一定程度上反应了驾 驶环境变化情况,而升档或降挡是根据车辆状况和环境, 实现驾驶员意图的有效途径。选择油门开度、车速、加速 度作为模糊控制器的输入,挡位作为输出。 2 . 1 控制变量的模糊化与量化因子